Научные исследования квантовых вычислений

Основная статья: Квантовые компьютеры и квантовая связь

Исследования в России

Основная статья: Квантовые компьютеры и сети в России

2024: Разработан революционный метод создания квантового компьютера

27 марта 2024 года британские исследователи из Университетского колледжа Лондона сообщили о разработке нового метода создания квантовых компьютеров. Предложенный подход, как ожидается, позволит проектировать масштабируемые квантовые системы, которые смогут решать самые сложные мировые проблемы.

Один из подходов к созданию квантового компьютера заключается в точном позиционировании отдельных «примесных» атомов в кристалле кремния, что позволяет манипулировать их квантовыми свойствами для формирования кубитов — квантовых битов. Преимуществом данного метода является применение технологий кремниевой микроэлектроники. Обычно в качестве атомов примеси используется фосфор, но в этом случае точность позиционирования составляет около 70%. Британские исследователи предлагают заменить фосфор мышьяком: это, как утверждается, дает возможность размещать атомы с практически 100% точностью.

Pixabay

Для точного позиционирования отдельных атомов и манипулирования ими участники проекта использовали специальный микроскоп. Они сформировали массив одиночных атомов мышьяка в виде матрицы 2 × 2, выполняющей функции кубита.

На основе наших расчетов мы пришли к выводу, что отдельные атомы мышьяка могут быть размещены более надежно, чем атомы фосфора, и нам удалось это успешно продемонстрировать. Мы можем размещать атомы мышьяка с точностью 97%, но в ближайшем будущем показатель может быть повышен до 100%, — говорит доктор Тейлор Сток (Taylor Stock), один из авторов исследования.

Предложенный метод в первоначальном виде требует позиционирования каждого атома вручную. В дальнейшем этот процесс планируется автоматизировать, что позволит строить универсальные квантовые компьютеры, насчитывающие миллионы или даже миллиарды кубитов.^[1]

2022

Создана архитектура универсального квантового компьютера

28 октября 2022 года Инсбрукский университет в Австрии сообщил о разработке новой архитектуры для универсальных квантовых компьютеров следующего поколения. Предложенная модель, как ожидается, позволит повысить производительность и надёжность таких вычислительных систем.

Квантовые компьютеры работают с так называемыми кубитами, или квантовыми битами. Они могут одновременно принимать значение логического ноля и логической единицы. Благодаря этому по мере увеличения количества кубитов быстродействие растёт в геометрической прогрессии. Но существуют и серьёзные сложности. Поскольку квантовую информацию нельзя скопировать, её невозможно сохранить в памяти, как в классическом компьютере. А поэтому все кубиты в квантовой вычислительной системе должны иметь возможность взаимодействовать друг с другом. К тому же квантовые компьютеры очень чувствительны к помехам.

Создана новая архитектура универсального квантового компьютера

В 2015 году исследователи Вольфганг Лехнер (Wolfgang Lechner), Филипп Хауке (Philipp Hauke) и Питер Золлер (Peter Zoller) предложили новую архитектуру для квантового компьютера, которая теперь названа в их честь — LHZ. Идея заключается в том, что физические кубиты кодируют не логические биты, а относительную согласованность. Это означает, что не все кубиты должны взаимодействовать друг с другом. Теперь учёные показали, что предложенная концепция может применяться в том числе в универсальных квантовых компьютерах.

Новая архитектура также предполагает эффективное аппаратное исправление ошибок. При обычном подходе значительные ресурсы должны выделяться для защиты квантовой информации, что существенно увеличивает количество необходимых кубитов. Предложенная модель предусматривает применение двухступенчатой коррекции, при которой ошибки одного типа устраняются на аппаратном уровне, а другого — на программном.Игорь Лейпи, ГК Softline: Объем поставок российских операционных систем в ближайшие годы увеличится как минимум вдвое

Разработанная технология позволит ускорить сложные квантовые вычисления определённого типа, например, преобразования Фурье и выполнение алгоритма Шора.^[2]

Создана технология для масштабирования квантовых компьютеров до миллионов кубитов

В конце сентября 2022 года появилась информация о том, что немецкие исследователи из Юлихского исследовательского центра и Рейнско-Вестфальского технического университета из Ахена создали технологию для масштабирования квантовых компьютеров до миллионов кубитов.

Для того чтобы квантовые компьютеры оказались полезными в практическом применении, необходимы миллионы квантовых битов. Масштабируемость является одной из самых больших проблем на сентябрь 2022 года при разработке будущих устройств. Одна из проблем заключается в том, что кубиты должны находиться очень близко друг к другу на чипе, чтобы соединить их вместе. Исследователи приблизились к решению этой проблемы на значительный шаг. Им удалось перенести электроны, носители квантовой информации, на несколько микрометров на квантовом чипе. Их квантовая шина может стать ключевым компонентом, который позволит совершить скачок к миллионам кубитов.

Ученые создали технологию для масштабирования квантовых компьютеров до миллионов кубитов

Квантовые компьютеры потенциально могут значительно превзойти возможности обычных компьютеров при выполнении определенных задач. Но еще предстоит пройти долгий путь, прежде чем они смогут помочь в решении реальных проблем. Для многих приложений требуются квантовые процессоры с миллионами квантовых битов.

В какой-то момент количество сигнальных линий становится узким местом. Линии занимают слишком много места по сравнению с размером крошечных кубитов. А квантовый чип не может иметь миллионы входов и выходов - в современном классическом чипе их всего около 2 тыс. Ученые уже несколько лет проводит исследования, чтобы найти решение этой проблемы. Их общая цель - интегрировать части управляющей электроники непосредственно в чип. Производственные процессы во многом совпадают с процессами производства обычных кремниевых процессоров. Это считается преимуществом, когда речь идет о реализации очень большого количества кубитов.

Поэтому, для того чтобы разнести кубиты, в 2018 году ученые выдвинули идею квантового шаттла. Этот компонент должен обеспечить обмен квантовой информацией между кубитами, которые находятся на большом расстоянии друг от друга.

В качестве следующего шага физики теперь хотят показать, что информация кубита, закодированная в электроне, не теряется при транспортировке. Теоретические расчеты уже показали, что это возможно в кремнии в определенных диапазонах скоростей. Таким образом, квантовая шина прокладывает путь к масштабируемой архитектуре квантового компьютера, которая также может служить основой для нескольких миллионов кубитов.^[3]

Ученые достигли более 99% квантовой точности с помощью кремния

11 апреля 2022 года стало известно, что исследование ученых Принстонского университета прокладывает путь для использования технологий на базе кремния в квантовых вычислениях и будет способствовать увеличению их использования в качестве альтернативы другим технологиям квантовых вычислений, таким как сверхпроводники и захваченные ионы.

Иллюстрация: securitylab.ru

В ходе исследования ученым удалось с помощью двухкубитного кремниевого квантового устройства добиться уровня точности более 99,8%. Точность, заключающаяся в способности кубита (наименьшей единицы информации в квантовом компьютере), выполнять операции без ошибок, является ключевым моментом для практических высокопроизводительных квантовых вычислений.

Исследователи по всему миру пытаются выяснить, какие технологии, сверхпроводниковые кубиты, захваченные ионы или кремниевые спиновые кубиты, больше всего подходят на роль базовых элементов квантовых вычислений. И, что немаловажно, специалисты изучают, какие технологии являются наиболее подходящими для коммерческого использования.

С помощью кремниевого устройства, так называемой двойной квантовой точки, ученые Принстонского университета смогли захватить два электрона и заставить их взаимодействовать между собой. Таким образом им удалось использовать спиновое состояние каждого электрона в качестве кубита, а взаимодействие между электронами позволило эти кубиты запутать.

Кубит - своего рода квантовый бит, являющийся наименьшей единицей данных в компьютерных технологиях. Как и бит, кубит кодируется с информацией, которая может иметь значение ноля или единицы.

Тем не менее, в отличие от бита, кубит может использовать принципы квантовой механики, что позволяет ему выполнять задачи, которые обычному биту не под силу. Например, он может обладать суперпозицией нолей и единиц, то есть, быть одновременно и нолем, и единицей. Благодаря этому квантовые компьютеры производительнее обычных.

В спиновых кубитах «спин» означает момент импульса электрона. Это квантовое свойство, проявляющееся в виде крошечного магнитного диполя, который можно использовать для кодирования информации. В качестве примера можно привести стрелку компаса, указывающую южный и северный полюс и вращающуюся в соответствии с магнитным полем Земли.

Спин - свойство электрона, используемого в квантовых устройствах на основе кремния. Для сравнения, обычные компьютеры работают путем управления отрицательным зарядом электрона.

В целом, кремниевые спиновые кубиты предпочтительнее других типов кубитов.

«Идея состоит в том, что каждая система должна масштабироваться до множества кубитов. На начало апреля 2022 года другие системы кубитов имеют реальные физические ограничения масштабируемости. Размер может быть реальной проблемой для этих систем. Места, куда все это можно втиснуть, не так много», - пояснил руководитель исследования Адам Миллс (Adam Mills).

Кремниевые спиновые кубиты состоят из одиночных электронов и чрезвычайно малы. Использовавшееся в ходе исследования устройство имело диаметр всего 100 нм, тогда как диаметр обычных сверхпроводниковых кубитов превышает 300 микрон, поэтому много их на чип не уместить.

Еще одна особенность кремниевых спиновых кубитов заключается в том, что обычная электроника базируется на кремниевой технологии. По мнению авторов исследования, для создания миллиона или десяти миллионов кубитов для практического применения подойдет только твердотельная система, которую можно масштабировать, используя стандартную полупроводниковую промышленность.^[4]

2021

Исследовательский институт Honda разработал технологию синтезирования нано-материалов

27 декабря 2021 года компания Honda, сообщила о том, что ученые Исследовательского института Honda, расположенного в США (Honda Research Institute USA, Inc. – HRI-US), применив метод синтезирования, создали атомарно тонкие «нано-ленты». Это достижение может повлиять на будущее развитие квантовой электроники – области физики, изучающей влияние квантовой механики на поведение электронов в веществе. Технология синтезирования может позволить создавать двумерные материалы, которые дадут возможность применять квантовые технологии, в частности, проводить квантовые вычисления и зондирование, при температурах более высоких, чем те, которые необходимы для используемых материалов. Подробнее здесь.

Запущен квантовый компьютер с кубитами, имеющими «третье состояние»

В декабре 2021 года компания Rigetti Computing анонсировала квантовый компьютер Aspen-M, оснащенный 80-кубитным процессором, который включая два блока по 40 сверхпроводящих кубитов. Подробнее здесь.

Эксперты обошли главное препятствие на пути создания квантового компьютера

Эксперты обошли главное препятствие на пути создания квантового компьютера. Об этом стало известно 16 ноября 2021 года. В частности, исследователям удалось одновременно управлять несколькими спиновыми кубитами на одном квантовом чипе.

Одним из препятствий в создании квантового компьютера является невозможность одновременно управлять множеством кубитов.

Управление одним кубитом обычно отрицательно влияет на другой из-за одновременного воздействия управляющих импульсов.

В отличие от компаний наподобие Google и IBM, работающих над сверхпроводниковыми технологиями для квантовых процессорах, исследователи сфокусировались на полупроводниковых или так называемых спиновых кубитах.

В общих чертах, спиновые кубиты состоят из спинов электронов, захваченных в полупроводниковых наноструктурах, называемых квантовыми точками, так что отдельные спиновые состояния можно контролировать и запутывать друг с другом, пояснили исследователи.

Спиновые кубиты могут сохранять свои квантовые состояния в течение длительного времени, что потенциально позволяет им производить более быстрые и точные вычисления по сравнению с другими типами платформ. Поскольку спиновые кубиты имеют очень маленькие размеры, на одном чипе их помещается очень много. Это имеет большое значение, поскольку чем больше кубитов, тем больше вычислительной мощности.

Исследователи смогли создать и управлять четырьмя кубитами на одном чипе с рядами 2×2. Одной из главных их задач было заставить кубиты коммуницировать друг с другом.

Теперь, когда у нас есть хорошие кубиты, нужно объединить их в схему, способную управлять множеством кубитов, но в то же время достаточно сложную для того, чтобы исправлять ошибки квантовых вычислений. До сих пор исследования в области спиновых кубитов позволяли создавать схемы с рядами кубитов 2×2 и 3×3. Проблема заключается в том, что управлять можно только одним кубитом за раз, - пояснили исследователи.

Созданная исследователями квантовая схема сделана из полупроводникового вещества под названием арсенид галлия, а ее размер не превышает размер микроба. Однако главным является то, то чип позволил экспертам одновременно управлять и измерять все кубиты.

В квантовых вычислениях очень важно управлять и измерять одновременно. Кубиты очень чувствительны, и если измерять их один за другим, даже крошечный окружающий шум может нарушить квантовую информацию на системе.

Еще одно существенное препятствие заключается в том, что все 48 электродов управления чипа нужно настраивать вручную и сохранять их настроенными. У человека это занимает много времени, поэтому специалист ищут способы использовать алгоритмы оптимизации и машинное обучение для автоматизации этого процесса^[5].

Ученые нашли «недостающий фрагмент головоломки» в разработке квантовых компьютеров

Ученые нашли «недостающий фрагмент головоломки» в разработке квантовых компьютеров. Об этом стало известно 16 августа 2021 года.

Находка ученых станет настоящим прорывом в создании квантовых процессоров на миллионы кубитов.

Разработка вакцин и медицинских препаратов, искусственный интеллект, транспорт и логистика, наука о об изменениях климата – все эти области сделают огромный шаг вперед, когда появится полномасштабный квантовый компьютер.

На август 2021 года квантовые процессоры, являющиеся основными компонентами квантовых компьютеров, сравнительно небольшие (менее 100 кубитов). Хотя первые квантовые процессоры и сыграли решающую роль в демонстрации потенциала квантовых вычислений, для применения в глобально значимых сферах нужны процессоры с более чем 1 млн кубитов.

В ходе исследования специалистам Университета Южного Уэльса (Австралия) удалось приблизиться к созданию столь мощного квантового процессора. По словам ученых, они обнаружили «недостающий фрагмент головоломки», позволяющий улучшить архитектуру квантовых чипов.

Проблема подходов к квантовым вычислениям с использованием кубитов заключается в том, что кубиты управляются с помощью проводов, занимающих место на кристалле и выделяющих тепло.

На август 2021 года управление электронными спиновыми кубитами зависит от генерирования микроволновых магнитных полей путем пропускания тока через провод рядом с кубитом. Это создает некоторые реальные проблемы, если мы хотим масштабироваться до миллионов кубитов, которые потребуются квантовому компьютеру для решения глобально значимых проблем, таких как разработка новых вакцин, – пояснил руководитель исследования доктор Джаррид Пла (Jarryd Pla).

Возглавляемая Пла команда исследователей нашла интересное решение данной проблемы и предложила не использовать провода, а генерировать магнитное поле над всем чипом.

Сначала исследователи удалили провод возле кубитов и решили генерировать микроволновые магнитные поля по всей системе.

То есть, по сути, мы могли генерировать поля управления для четырех миллионов кубитов. Здесь есть два ключевых изменения. Первое заключается в том, что для получения сильного поля нам не нужно было использовать много электроэнергии, а это значит, мы не генерировали большое количество тепла. Второе нововведение – поле является однородным по всему чипу, так что на все миллионы кубитов распространяется одинаковый уровень контроля, – пояснил Пла.

Исследователи разработали прототип технологии и протестировали ее на кубитах.

Мы были необычайно рады, когда эксперимент удался. Проблема контроля над миллионами кубитов беспокоила меня очень долгое время, поскольку являлась главным препятствием на пути к созданию полномасштабного квантового компьютера, – заявил профессор Университета Южного Уэльса Эндрю Дзурак (Andrew Dzurak).

Теперь, когда это препятствие устранено, следующим шагом должно стать использование данного похода для создания более простого кремниевого квантового процессора. По словам исследователей, это упростит производство устройств с большим числом кубитов в будущем^[6].

Квантовый процессор превратили во временной кристалл с упорядоченными собственными состояниями

4 августа 2021 года стало известно о том, что исследователи из Google и нескольких американских университетов сообщили о создании истинного дискретного временного кристалла с упорядоченными собственными состояниями. Такое состояние было получено на кубитах квантового процессора Sycamore от Google. Ученые продемонстрировали, что созданный ими временной кристалл удовлетворяет целому ряду критериев, которые позволяют считать его истинным временным кристаллом. Препринт статьи опубликован на arXiv.org. Подробнее здесь.

Intel и QuTech добились прорыва в решении проблемы квантовых межсоединений

Компании Intel и QuTech – совместный проект Технологического университета Делфта и Организации прикладных научных исследований Нидерландов – 14 мая 2021 года сообщили о публикации ключевых результатов исследований в области квантовых вычислений, направленных на устранение «узкого места межсоединений» между квантовыми чипами, которые находятся в криогенных рефрижераторах растворения, и сложной электроникой для управления кубитами, которая работает при комнатной температуре. Инновации, представленные в отраслевом научном журнале Nature, знаменуют важный этап в решении одной из серьезных проблем масштабирования квантовых вычислений с помощью микросхемы криогенного контроллера Intel Horse Ridge. Подробнее здесь.

Ученые осуществили квантовую телепортацию на 44 км

5 января 2021 года стало известно о том, что ученые из Национальной ускорительной лаборатории Fermi — национальной лаборатории Министерства энергетики США, связанной с Чикагским университетом — вместе с партнерами из пяти учреждений сделали значительный шаг в направлении реализации квантового интернета: осуществили квантовую телепортацию.

В частности, исследователям удалось передать квантовое состояние на 44 км с точностью более 90% по волоконно-оптическим сетям, аналогичным тем, которые составляют основу существующего интернета.

Мы в восторге от этих результатов. Это ключевое достижение на пути к созданию технологии, которая переопределит развитие глобальной коммуникации, — говорит физик Панайотис Спенцурис из лаборатории физики элементарных частиц и ускорителей Fermilab, базирующейся в Калифорнийском технологическом институте (Caltech).

И точность передачи данных, и расстояние передачи имеют решающее значение, когда речь заходит о создании реального, работающего квантового интернета^[7].

2020

Создан материал, который сделает квантовый компьютер устойчивым к помехам

Сверхтонкий материал, позволяющий воспроизвести квазичастицы, на основе которых можно построить устойчивый к помехам квантовый компьютер, разработан международной группой учёных на базе университета Аалто (Финляндия), 18 декабря сообщает в декабре 2020 года портал HPCwire, специализирующийся на суперкомпьютерах^[8].

Кубиты, лежащие в основе квантового компьютера и использующиеся для сверхскоростных вычислений, обладают очень большой чувствительностью к шуму и помехам, создаваемым окружающими материалами. Это влияние приводит к ошибкам в вычислениях.

Решить эту проблему может помочь новый тип кубитов — топологические кубиты, которые могут быть созданы с использованием майорановских состояний с нулевой энергией (MZM) — групп электронов, связанных определенным образом и ведущих себя как частица, называемая фермионом Майораны. Ее существование предположил итальянский физик Этторе Майорана в 1930-х годах.

«Топологический квантовый компьютер основан на топологических кубитах, которые, как предполагается, гораздо более помехоустойчивы, чем другие кубиты. Однако топологические кубиты пока не удалось получить в лаборатории», — пояснил ведущий исследователь проекта профессор Питер Лильерот.

Для создания MZM исследователи должны были создать двумерный материал, обладающий свойством топологической сверхпроводимости. Это явление возникает на границе магнитного электрического изолятора и сверхпроводника.

Вырастив островки магнитного материала толщиной в один атом поверх сверхпроводящего кристалла и измерив полученные свойства с помощью сканирующего туннельного микроскопа, ученые пришли к выводу что создали именно MZM.

Кроме того, они подтвердили свои выводы с помощью компьютерного моделирования. В качестве следующего этапа своей работы исследователи видят создание топологического кубита.

В Лос-Аламосе создали квантовое устройство SQUID

1 августа 2020 года стало известно, что ученые из Национальной лаборатории в Лос-Аламосе (DOE/Los Alamos National Laboratory) создали устройство для проведения изменений на грани квантовых законов и реалий. Разработка основана на поведении облаков «ультрахолодных» атомов.

В созданной установке атомы, охлажденные до сверхнизких температур, попадают под излучение одного лазера, светящего в определенной плоскости. Второй лазер, направленный под углом, «рисует» на поверхности луча первого узоры, которые направляют ультрахолодные атомы в два полукруга, разделенных небольшими промежутками, известными как джозефсоновские переходы.

Установка, названная Superconducting QUantum Interference Device (SQUID) может использоваться как часть квантового компьютера и как сверхчувствительный сенсор для определения малейшего вращения. Когда SQUID вращается и джозефсоновские переходы перемещаются навстречу друг другу, количество атомов в полукругах изменяется в результате квантово-механической интерференции токов через джозефсоновские переходы. Подсчитав атомы в каждой части полукруга, исследователи могут очень точно определить скорость вращения системы.

В созданном нами устройстве квантовую интерференцию в электронных токах можно использовать для создания одного из самых чувствительных детекторов магнитного поля, - заявил Чанхён Рю (Changhyun Ryu), физик из группы «Физика и применение материалов» в Национальной лаборатории Лос-Аламоса. - В приборе мы используем нейтральные атомы, а не заряженные электроны, и, вместо того, чтобы реагировать на магнитные поля, наша система чувствительна к механическому вращению.

Помимо датчика движения SQUID предполагается задействовать и как дополнительный вычислительный компонент современных квантовых компьютеров.

Речь идет о создании первого прототипа квантового устройства (SQUID), которому предстоит пройти долгий путь, прежде чем оно сможет стать частью квантовых компьютеров или обычных приборов и гаджетов. Но, поскольку речь идет об изучения закономерностей на грани квантовых и обычных законов физики, исследователи предрекают данному направлению хорошие перспективы^[9].

В Китае состоялся сеанс квантовой связи на расстоянии в 1120 километров

16 июня 2020 года стало известно, что китайская группа физиков, которая ранее продемонстрировала квантовое распределение ключа между спутником и обсерваторией, провели сеанс квантовой криптографии с использованием запутанности между двумя наземными станциями на расстоянии 1120 километров. Работа представлена в журнале Nature.

Квантовое распределение ключа — это теоретически абсолютно безопасный способ обмена секретными ключами между удаленными пользователями. Метод основан на фундаментальных законах квантовой физики: процесс измерения квантовой системы изменяет ее состояние. Злоумышленник, который попытается украсть ключ, должен каким-то образом измерить его, но измерение вводит аномалии, которые видят и легитимные участники протокола. Таким образом, пользователи могут раскрыть и проверить часть полученного ключа и убедиться, что никто, кроме них самих, его не измерял.

Экспериментальное распределение ключа было продемонстрировано в лабораторных условиях с помощью оптоволокна длиной 421 километра. Ранее за пределами лаборатории китайским ученым под руководством профессора Цзянь-Вэй Пана (Jian-Wei Pan) удалось передать ключ от спутника до наземной станции на расстоянии 1200 километров, что на июнь 2020 года является рекордом.

Однако реальная криптография на основе квантового распределения ключа нацелена на пользователей, находящихся на Земле. При использовании квантовых повторителей можно создать сеть узлов, которые находятся на расстоянии до 100 километров друг от друга. К сожалению, каждый повторитель несет риск безопасности и может быть атакован злоумышленником. Другой способ распределения ключа на большие расстояния задействует спутниковую связь с использованием квантовой запутанности.

Та же группа китайских ученых под руководством профессора Пана провела сеанс квантового распределения ключа на основе запутанности между двумя наземными станциями, расстояние между которым составила 1120 километрами. Запутанные пары фотонов были разделены и отправлены по каналам связи от спутника Micius к двум наземным обсерваториям в Делинге (Delingha) и Наньшане (Nanshan).

Важным инженерным достижением, без которого эксперимент бы не состоялся, является создание высокоэффективного телескопа и обрабатывающей оптики. Ученым удалось повысить эффективность сбора данных каждого канала связи спутник-Земля примерно в два раза по сравнению с предыдущим экспериментом. Наилучшие данные были получены в ясную ночь и без тумана, когда атмосфера имела самый высокий коэффициент пропускания.

Расстояние между спутником и наземными обсерваториями и аттенюация в зависимости от времени. Источник: Juan Yin, et al. / Nature, 2020

Чтобы проверить построенную криптографическую систему, для начала физики верифицировали запутанности с помощью теста Клаузера-Хорна-Шимони-Холта (CHSH), который проводился над полученными со спутника фотонами. Тест подтвердил наличие квантовых корреляций с точностью в восемь стандартных отклонений.

Для проведения непосредственно распределения ключа ученые использовали протокол BBM92, в котором два пользователя получают по одному фотону из потока запутанных пар фотонов. Затем они случайным образом выбирают базис для измерения каждого фотона, получают результат измерения, и отбирают только те исходы, где они проводили измерения в одинаковом базисе. Согласование базисов осуществляется по классическому каналу связи. Дальше они используют часть ключа для оценки частоты появления ошибок, которая говорит о наличии подслушивания.

Протокол квантового распределения ключа на основе запутанности BBM92, Источник: wikipedia.org

Физики убедились, что полученные ключи безопасны — наземные приемники невосприимчивы к ошибкам от шума, то есть возникновение аномалий явно свидетельствует о подслушивании. Авторы отмечают, что полученные результаты — важный шаг на пути к абсолютно надежной криптографии для межконтинентально удаленных пользователей.

Ранее та же группа ученых создала запутанность на расстоянии боле 50 километров с помощью оптоволокна между двумя лабораториями в Хэфэе. В то время как Китай впереди планеты всей, мы постепенно включаемся в квантовую гонку коммуникаций: в 2016 году в России была создана банковская линия квантовой связи, а в 2017 году ученые из МГУ представили квантовый телефон. На июнь 2020 года Российский квантовый центр, Сбербанк и фонд «Сколково» строят на территории инновационного центра в России линию квантовой защищенной связи суммарной протяженностью около 250 километров^[10].

2019: Осуществлена первая квантовая телепортация

27 декабря 2019 года стало известно о том, что ученым удалось успешно передать информацию с одного чипа на другой с помощью квантовой запутанности.

По мнению специалистов, технологии обработки информации с использованием законов квантовой физики окажут огромное влияние на современное общество. К примеру, квантовые компьютеры смогут решать задачи, с которыми не способны справиться даже самые мощные современные суперкомпьютеры, а квантовый интернет защитит передаваемые в нем данные от кибератак. Однако эти технологии базируются на так называемой «квантовой информации», зашифрованной в квантовых частицах, которые чрезвычайно сложно измерять и контролировать.

Как сообщалось, ученые Бристольского университета (Великобритания) вместе с коллегами из Датского технического университета создали чип, способный генерировать и манипулировать отдельными частицами света в программируемых наносхемах. Чип может зашифровывать информацию в световых частицах, генерируемых в наносхемах, и обрабатывать «квантовую информацию» с высокой производительностью и очень низким шумом.

Настоящим прорывом стал эксперимент, в ходе которого специалисты Лаборатории квантовой инженерии Бристольского университета впервые в мире успешно осуществили квантовую телепортацию информации с одного чипа на другой. Именно квантовая телепортация является краеугольным камнем квантовых коммуникаций и вычислений, отмечают ученые.

Квантовая телепортация предусматривает передачу квантового состояния частицы из одного места в другое с помощью квантовой запутанности (явления, при котором квантовые состояния нескольких объектов оказываются взаимозависимыми). Телепортация нужна не только для квантовых коммуникаций, но также является основой для оптических квантовых вычислений.

Установка связи между двумя чипами путем создания квантовой запутанности оказалась для ученых непростой задачей. Тем не менее, им удалось добиться того, чтобы фотоны на обоих чипах приходили в одинаковое квантовое состояние. Главным стал эксперимент по телепортации, в ходе которого индивидуальное квантовое состояние частицы после квантового измерения передавалось с одного чипа на другой ^[11].

2018: Австралийцы создали квантовый «процессор» на базе атома фосфора

В марте 2018 года стало известно о том, что группа ученых UNSW Sydney (Университета Нового Южного Уэльса) из Австралии под руководством профессора Мишель Симмонс впервые в мире создала квантовый «процессор» на базе атома фосфора, на практике показав, что кубиты (одноатомные квантовые физические биты) могут взаимодействовать друг с другом уже на расстоянии 16 нанометров друг от друга, демонстрируя так называемое явление «квантовой запутанности». Однако принцип работы представленного устройства и современных компьютерных процессоров различаются кардинально.

По мнению Мишель Симмонс, квантовый компьютер на базе логических кубитов превзойдет любые традиционные вычислительные машины. Фото: CNews.ru

Как известно, в современной массовой вычислительной технике биты могут принимать только два значения: «1» или «0», в то время как квантовые биты, или кубиты, могут также находиться в промежуточных состояниях. При этом изменение одного кубита всегда влияет на состояние связанных с ним «соседей». Это явление носит название квантовой запутанности и позволяет построить логический кубит — группу физических кубитов, связанных друг с другом. «Процессор», полученный путем соединения нескольких логических кубитов, может обеспечивать высочайшую производительность, характерную для квантовых компьютеров, а также позволит находить и исправлять ошибки, возникающие в физических кубитах под влиянием внешних факторов.

Ранее считалось, что взаимодействие между физическими кубитами возможно на расстоянии 20 нанометров. Однако австралийские ученые смогли добиться формирования логического кубита при расстоянии между атомами фосфора 16 нанометров. По утверждению Мишель Симмонс, квантовый компьютер, состоящий из 30 таких кубитов, превзойдет любые существующие традиционные вычислительные машины, а 300-кубитный экземпляр обгонит все существующие в мире компьютеры вместе взятые.

Ожидается, что полученные данные позволят улучшить существующую модель и ускорить появление прототипов устройств на основе одноатомных кубитов из фосфора. В частности, получить действующую модель из 10 связанных кубитов группа австралийских ученых рассчитывает уже в течение ближайших 5 лет.^[12]

2017

Учёные в США создали 53-кубитный квантовый компьютер

В начале декабря 2017 года стало известно о том, что ученые из Мэрилендского университета в Колледж-Парке (UMD) и Национального института стандартов и технологий (NIST) США создали модель квантовой системы, состоящей из 53 кубитов, которые применяются для имитации квантовой материи.

Симулятор UMD-NIST был создан путем развертывания 53 отдельных иттербиевых ионов, удерживаемых на месте позолоченными электродами

По словам авторов проекта, симулятор UMD-NIST был создан путем развертывания 53 отдельных иттербиевых ионов, удерживаемых на месте позолоченными «бритвенно острыми» электродами. При этом количество атомов, по заверению ученых, можно еще увеличить, что, в свою очередь, приведет к росту числа кубитов.

UMD-NIST может работать при комнатной температуре и обычном атмосферном давлении — такое свойство характерно для всех систем кубитов, базирующихся на ионах. В представленной модели кубиты надежно изолированы от влияния окружающей среды.

Каждый ионный кубит — это стабильные атомные часы, которые можно полностью воспроизвести, — заявил профессор физики Кристофер Монро (Christopher Monroe), руководитель команды UMD. — Они эффективно соединены вместе с внешними лазерными лучами. Это означает, что одно и то же устройство может быть перепрограммировано и перенастроено снаружи, чтобы адаптироваться к любому типу квантового моделирования или будущего квантового компьютерного приложения, который появится.

Современные транзисторные компьютеры испытывают сложности, имея дело более чем с двадцатью взаимодействующими квантовыми объектами в связи с явлением квантового магнетизма — из-за него взаимодействие может привести к магнитному выравниванию или смешению конкурирующих интересов. В частности, 53 взаимодействующих друг с другом квантовых магнита создают около квадриллионов возможных магнитных конфигурации, и это количество удваивается с добавлением нового магнита, утверждают ученые.

По мнению ведущего автора исследования Цзехана Чжана (Jiehang Zhang), вскоре появится возможность контролировать 100 и более кубитов. Результаты своих исследований Чжан с коллегами опубликовали в журнале Nature.^[13]

Ученые из России и США создали 51-кубитный квантовый компьютер

В июле 2017 года стало известно о том, что группа ученых из Гарвардского университета и Массачусетского технологического института под руководством Михаила Лукина, профессора физики из Гарварда и сооснователя Российского квантового центра, создала и проверила программируемый квантовый компьютер на базе 51 кубита, став, таким образом, лидером среди участников «квантовой гонки».

По словам Михаила Лукина, он и его коллеги использовали кубиты на основе «холодных атомов», которые удерживались оптическими «пинцетами» — специальным образом организованными лазерными лучами. Большинство современных квантовых компьютеров основаны на использовании сверхпроводящих кубитов на базе контактов Джозефсона.

Группа американских ученых под руководством российского физика создала 51-кубитный квантовый компьютер. Фото: indicator.ru

Лукину и его коллегам удалось решить с помощью своего квантового вычислителя задачу моделирования поведения квантовых систем из множества частиц, которая была практически нерешаема с помощью классических компьютеров. Более того, в результате им удалось предсказать несколько ранее неизвестных эффектов, которые затем были проверены с помощью обычных компьютеров. В итоге ученым удалось найти способ приближенных вычислений, которые помогли получить сходный результат на классическом компьютере.

В ближайшее время ученые намерены продолжить эксперименты с квантовым компьютером, возможно, они попытаются использовать эту систему для проверки алгоритмов квантовой оптимизации, которые позволяют превзойти существующие компьютеры.

Квантовый вычислитель «обогнал» первый компьютер человечества

Физики из Китайского научно-технологического университета (Шанхай), Университета Вюрцбурга и Сент-Эндрюсского университета усовершенствовали работу одного из видов квантовых вычислителей — бозонного сэмплера. По словам авторов, теперь устройство превосходит ENIAC (первый универсальный классический компьютер) примерно в 220 раз в определенном классе задач. Ученые полагают, что бозонные сэмплеры смогут в ближайшее время продемонстрировать превосходство квантовых систем над современными классическими компьютерами. Исследование опубликовано в журнале Nature Photonics, кратко о нем сообщает агентство Синьхуа^[14].

Считается, что квантовые компьютеры способны значительно превзойти обычные, классические вычислители — это позволит решать задачи, ранее недоступные для ученых. Например, очень сложными для компьютеров оказываются вычисления свойств различных молекул — они основаны на законах квантовой механики. Однако превосходство квантовых вычислителей над традиционными системами было продемонстрировано лишь частично. Так, в конце 2015 года компания Google показала, что системы квантового отжига D-Wave могут многократно обгонять компьютеры при решении специально созданных задач оптимизации.

Для квантовых компьютеров производительность и ускорение, по сравнению с классическими системами напрямую зависит от числа кубитов — квантовых битов, существующих в суперпозиции состояний «нуля» и «единицы». Ученые ожидают, что квантовым компьютерам потребуется около 50 кубитов чтобы достичь превосходства — сейчас в лабораторных устройствах количество кубитов не превышает 10-15. Однако в некоторых специальных квантовых вычислителях можно обойтись меньшим количеством контролируемых квантовых частиц — например, для бозонных сэмплеров достаточно 20-30 фотонов.

Бозонные сэмплеры — это вычислители, с помощью которых можно быстро строить распределение случайных величин. В них несколько фотонов движутся по разветвляющимся и пересекающимся оптическим путям, интерферируя между собой. Подробнее о них можно прочитать в новости о предыдущем результате этой научной группы — запутывании сразу 10 фотонов для сэмплера. Среди применений устройства — расчет колебательных спектров молекул, необходимый, например, для анализа химического состава материалов

Помимо количества фотонов, участвующих в работе сэмплера, на скорость его работы также влияет и частота считывания состояний фотонов. В новой работе ученые смогли значительно ее увеличить — примерно в 24 тысячи раз по сравнению с предыдущими экспериментами. По словам авторов, ключевым для достижения результата стала разработка высококачественных однофотонных источников на основе нанокристаллов полупроводников. Эти модули возбуждаются с помощью пикосекундных импульсов лазера (длящихся триллионную долю секунды) и генерируют 25,6 миллиона поляризованных одиночных фотонов в секунду, что является лучшим показателем по яркости в мире.

В качестве оптического стола с различными оптическими путями для фотонов авторы использовали программируемую интегральную оптическую схему — она определяла распределение, которое генерировал сэмплер. В нее входило 36 светоделителей — полупрозрачных зеркал. Ученые проверили работу устройства с тремя, четырьмя и пятью фотонами, создающими распределение. Для трехфотонных устройств частота генерации составила около пяти тысяч герц (в предыдущих работах эта величина не превышала двух десятых герца). По словам авторов, если использовать в установке однофотонные детекторы на сверхпроводящих нанонитях, то эту величину можно будет дополнительно увеличить в 26 раз.

С ростом скорости считывания и генерации распределений у физиков возникает возможность использовать большее количество фотонов в бозонном сэмплере. Так, если в прошлой работе с 10-фотонным семплером частота генерации составляла 11 штук в час, то в новой установке частоты того же порядка можно будет достигнуть уже с 14 фотонами. По словам авторов, если усовершенствовать схему генерации одиночных фотонов, ускорив их генерацию почти на 75 процентов, то можно будет ожидать скорости считывания 20-фотонных событий в 130 штук в час.

Физики сравнивают производительность новой системы с первым компьютером, созданном человеком, — ENIAC. По оценкам ученых, созданная схема трехфотонного сэмплинга превосходит скорость решения той же задачи с помощью ENIAC в 220 раз. Авторы утверждают, что создали первый вычислитель на одиночных фотонах, который смог обогнать классический компьютер.

2016

Ученые смогли передать информацию с помощью одного фотона

Ученые Принстонского университета разработали устройство, позволяющее одному электрону передавать квантовую информацию фотону. Исследование было опубликовано в конце 2016 года в журнале Science и может стать настоящим прорывом в сфере квантовых компьютерных технологий^[15].

«Теперь у нас есть возможность непосредственно передавать квантовое состояние фотону. Раньше это было невозможно сделать с помощью полупроводниковых приборов, поскольку квантовое состояние утрачивалось до того, как успевало передать информацию», - пояснил ученый Принстонского университета Сяо Ми.

Смотрите подробнее - Фотонная интегральная схема (ФИС)

Создан компактный квантовый компьютер

Группа ученых из Мэрилендского университета в Колледж-Парке в США создала компактный квантовый компьютер, который можно перепрограммировать, передает Nature^[16]. Машина состоит из пяти кубитов.

Издание сообщает, что кубиты захвачены при помощи ионной ловушки и ими можно управлять лазером. Помимо того, что кубиты являются вычислительными элементами, одновременно они также - ячейки памяти.

Ученые показали, что созданный компьютер способен выполнять различные квантовые алгоритмы. Причем, при переходе от одного алгоритма к другому вносить изменения в конструкцию системы не нужно.

Создатели утверждают, что точность вычислений квантового компьютера составляет 98 процентов, что является очень высоким показателем. По словам специалистов, в будущем его можно будет масштабировать посредством подключения аналогичной конструкции, что позволит выполнять более сложные задачи.

2013: Проблемы в создании квантового компьютера

На пути создания квантового компьютера в 2013 году существовало множество проблем. Прежде всего необходимо было научиться приводить кубиты в определенные исходные состояния, объединять их в запутанные системы, изолировать эти системы от влияния внешних помех, считывать результаты квантового расчета.

Также разработчикам квантового компьютера предстоит выбрать оптимальную элементную базу для изготовления кубитов. Имеется несколько конкурирующих подходов, и один из них — сверхпроводящие кубиты с джозефсоновскими переходами, похожие на первые носители компьютерной информации – ферритовые колечки. Правда, кубиты примерно в тысячу раз меньше магнитных битов эпохи, предшествовавшей появлению интегральных микросхем. Разработками в данной области занято множество иностранных институтов и лабораторий крупных компаний. Обладание рабочим прототипом универсального квантового компьютера открывает огромные возможности в разработке новых материалов, расшифровке сложнейших кодов, моделировании сложных систем, создании универсального искусственного интеллекта и множестве других областей. С появлением технологии считывания состояний кубитов, Россия также может включиться в эту многообещающую работу на передовом крае науки и компьютерной техники.

По сути своей, квантовые вычислительные системы представляют собой вершину развития параллельных вычислений. Этим системы способны решать сложнейшие вычислительные задачи, недоступные традиционным компьютерам. В частности, квантовые компьютеры позволяют осуществлять моделирование природных процессов в интересах специалистов по химии, материаловедению и молекулярной физике. С появлением квантовых компьютеров учёные, наконец, смогут создать катализатор для абсорбирования углекислого газа из атмосферы, сверхпроводники, способные работать при комнатной температуре, и новые лекарства от неизлечимых пока болезней.

Однако несмотря на существенный прогресс в исследованиях и активные дискуссии об успехах учёных, остаётся актуальной проблема преодоления естественных препятствий на пути создания жизнеспособных крупномасштабных квантовых систем, способных демонстрировать требуемую точность вычислений. Одним из таких препятствий является проблема производства однородных и стабильных кубитов (базовых элементов квантовых вычислительных систем).

Кубиты требуют крайне нежного обращения. Случайный шум и даже случайное наблюдение за кубитом способны привести к потере данных. Для устойчивой работы кубитов необходима чрезвычайно низкая температура окружающей среды - на уровне 20 миллиКельвин, что в 250 раз холоднее температуры открытого космоса. Подобный температурный режим предъявляет строжайшие требования к конструкции корпусов квантовых систем, в состав которых входят кубиты. Стремясь реализовать весь потенциал квантовых вычислительных систем, специалисты Intel из Группы исследования компонентов (CR) в Орегоне и Экспериментального производственного комплекса (ATTD) в Аризоне напряжённо работают над созданием инновационных архитектур и корпусов для выполнения уникальных требований и задач квантовых вычислительных систем.

2012: Создан квантовый компьютер внутри алмаза

Бриллианты или алмазы – неотъемлемая часть многих кинофильмов – теперь могут стать основной составляющей квантовых компьютеров. 5 апреля 2012 года всемирно известный журнал Nature опубликовал статью группы ученых из различных стран, которым удалось построить внутри алмаза работоспособный квантовый компьютер. В отличие от образцов предшественников в нем впервые удалось решить проблему нестабильной когерентности.

Как сказано в статье, для кодирования информации в виде квантовых битов или кубитов ученые задействовали природные дефекты кристаллической решетки алмаза. В отличие от привычных битов в современных компьютерах кубиты способны находиться не только в состояниях 0 или 1, но и в суперпозиции (проще говоря, одновременно в состояниях 0 и 1). Последний вариант до недавнего времени считался нестабильным, и вычислительные элементы ранее существующих прототипов квантовых компьютеров имели тенденцию быстро возвращаться из суперпозиции в классические состояния. Следствием так называемой нестабильной когерентности являются шумы и ошибки, которые приводят к резкому снижению надежности работы таких устройств.

Другими словами, обозначенный выше негативный эффект нужно стремиться минимизировать любой ценой. Использование твердого кристалла (в данном случае алмаза) в качестве рабочего тела квантового компьютера позволило добиться более стабильных состояний суперпозиции. Причина лежит на поверхности – спин ядра более стабилен, чем спин электрона, на который ориентировались раньше. По словам профессора Даниэля Лидара (Daniel Lidar), одновременно занимающего должности в USC Viterbi School of Engineering и USC Dornsife College of Letters, Arts and Sciences, характерное время переключения состояний в ядрах измеряется миллисекундами, и это очень много. Электроны куда проворнее, однако состояние суперпозиции в вычислительных системах на их основе разрушить гораздо легче.

Примечания